鑄鐵單向壓縮破壞的最大剪應力理論之否定

1、鑄鐵單向壓縮破壞的最大剪應力理論之否認鑄鐵壓縮是材料力學的常規(guī)實驗，破裂斷面與加壓軸線構(gòu)成朽“交角.就是這個習以為常的問題，多年來困擾著我，百思不解，最近才悟出一點新意，并通過薄壁鑄鐵管壓縮實驗，得到驗證.一、從強度理論本身粉最大剪應力理論之誤幾乎所有的材料力學書，目前還是認為鑄鐵壓縮破裂是剪應力過大所致，即最大剪應力強度理論.廣義言之，破壞主要有兩種形式，一種是斷裂破壞，另一種屈從或顯著塑性變形，簡稱屈從破壞.從古典強度理論看，最大拉應力理論，最大拉應變理論(筆者認為首先應否認的是該理論)，是適用脆性材料的，是斷裂破壞的判據(jù).而最大剪應力理論，形狀改變比能等是適用塑性材料的，是屈從破壞的判據(jù)

2、.這是材料力學書所公認的，同時也公認鑄鐵是脆性材料(在通常的條件下，如常溫，非三向等壓).因此，用適用于塑性材料的最大剪應力理論來解釋脆性材料的斷裂破壞是牛頭不對馬嘴。二、巖石壓組破壞之啟示巖石壓縮實驗破裂成兩個錐形體，錐面和軸線約成朽“交角.因此，較早的材料力學書上認為巖石壓縮破壞是最大剪應力所致.后來在實驗中發(fā)現(xiàn)，形成錐形體是由于加壓力的端面有較大的摩擦力.因此，巖石壓縮實驗不是單向受力狀態(tài)，壓應力也不是均勻分布的，但定性地可在才點取單元體(圖1).由此可見，裂面不是最大剪應力作用面，而是最大拉應力作用面.假如減少加壓端面的摩擦力，試件將沿軸線方向斷裂(圖2).因此，較新的材料力學書已承受

3、巖石壓縮破壞并非最大剪應力所致的觀點.三、實驗的掛折巖石壓縮破裂冤案的初步平反，大大鼓舞著鑄鐵的壓縮破裂.我們設想，如克制端面摩擦力，鑄鐵壓縮破裂也會出現(xiàn)圖2所示的軸向裂縫.于是我們作了四組比照實驗，每組實驗至少有兩個試件.試件為20*302，圓柱體，60t材料試驗機加壓.i組:上、下端面墊低炭鋼塊，在加壓的同時用游標卡尺測上部(離端部約5)，中部的直徑變化.當壓力較大時，試件端部壓人墊塊內(nèi)，端部限制向外位移的約束最大，鼓形也最嚴重.ii組:上端直接用試驗機壓頭加壓，下壓頭有刻槽，因此墊校硬的袍刀片.這樣試件不會壓入墊片內(nèi)，改善了約束條件.iii組:上、下端面墊和試件直徑一樣的紫銅片，進一步改

4、善約束條件，減小了端面摩擦力.iv組:上、下端面墊摩擦系數(shù)特小的聚四氟乙烯薄片，根本仁克制了端面摩擦力.實驗記錄列于上頁表，隨著端面條件的改變，上、中部直徑的絕對伸長d的差異逐漸減小，即鼓形逐漸消失，說明端面摩擦力逐漸減小，乃至根本消除.1組破裂面和軸線夾角破裂角約33-35，ii組約30，有減小趨勢;iii組未測，按預計;iv組的破裂角應很小，甚至為零，但實驗結(jié)果卻出現(xiàn)意外，破裂角反而增大.至此，鑄鐵壓縮實驗再次失敗.四、成功之希扭我們繼續(xù)重復iv組實驗，認真分析破裂角增大原因.后來發(fā)現(xiàn)，由于端面摩擦減小，在載荷較大時，由于兩端面不平行，也或許沿和軸線斜交45的面上有滑移(屈從)，試件很快歪

5、斜，假設此時及時卸載，可觀察到中部有斜裂縫而整體尚完好的歪斜試件(圖3).歪大到驚人的程度.試件中部的應力狀態(tài)類似于圖l端部的應力狀態(tài)，除壓應力外，還有比端面摩擦還大的剪應力.因此，加壓過程中，試件歪斜是破裂角增大的原因，實際上，通常的鑄鐵壓縮實驗(端面有摩擦)，也多數(shù)發(fā)生程度不同的歪斜，因此很小出現(xiàn)料交的兩組裂縫，而往在只有一個裂面.既要克制端面摩擦力，又要防止加壓過程中試件歪斜.我們用鑄鐵薄壁簡作試件，雖不能消除端面摩擦力，但由于薄壁，摩族力影響不大.假如最大剪應力理論成立，那么在回柱面上，出現(xiàn)和母線斜交的裂縫，假如出現(xiàn)沿母線方向的裂縫，那么最大剪應力理論被否認.假如受端面摩擦力影響，那么

6、靠近端部出現(xiàn)沿厚度方向的斜裂縫，如圖4所示。試件尺寸:高石h=.80，外徑d=56.9-57.l，壁厚t=1.5-2。共四個試件，系下水道鑄鐵管車制而成.有兩個試件(一個是上半部，一個是下半部)局部裂成碎片，殘留局部仍為回筒，其中有兩條3左右的軸向裂縫，碎片為數(shù)十平方毫米的矩形碎片，周邊和軸線平行或正交(由于爆裂突然發(fā)生，碎片飛得很遠，實驗應注意平安)，只有個別碎片局邊和軸線斜交，如圖5所示.有一個試件端面墊有聚四氟乙烯薄片，在加壓時聚四氯乙烯在外擠出(有朝外的摩擦力)因此，上端面靠外側(cè)首先形成一個破裂圈，破裂圈截面近似于等腰直角三角形，繼續(xù)加壓(聚四氟乙烯全部擠走，不再起作用)，端部內(nèi)側(cè)一圈也破裂，再加壓上半部裂成碎片.余下的兩個試件，在加壓指針略有后退時，馬上卸載，兩個試件都完好保存下來，試件的上部(離端面數(shù)毫米)，在圓周的1/5左右范圍內(nèi)，有六、七條長10一15的軸向裂縫，除個別已穿透外，多數(shù)只在外部見到.有裂縫處出現(xiàn)外凸(象失穩(wěn))，無裂縫外仍然平整，如圖6所示.(此外還做過陶瓷厚壁圓管的壓縮實驗，也全是軸